Architecture Processeur & UAL (Logisim)

Conception, modélisation et simulation de circuits logiques numériques sous Logisim : réalisation d'une Unité Arithmétique et Logique (UAL / ALU) 8 bits modulaire et d'une architecture de processeur synchrone complet avec jeu d'instructions (ISA) dédié.

Ce projet a été développé pour explorer les fondations matérielles des systèmes informatiques (from logic gates to processor execution). La maîtrise de ces briques élémentaires apporte une compréhension approfondie des mécanismes d'exécution bas niveau, directement valorisable dans l'analyse de performance et l'optimisation algorithmique.

---

📐 1. Unité Arithmétique et Logique 8 bits (ALU)

L'UAL implémentée prend en charge deux opérandes 8 bits (Operand A, Operand B) et exécute des opérations arithmétiques et logiques sélectionnées via un code opération (Opcode) sur 4 bits.

Table des Opcodes de l'UAL

Opcode (Binaire)	Mnémonique	Type	Description
0000	NOP	Contrôle	Aucune opération (No Operation)
0001	HALT	Contrôle	Arrêt de l'exécution
0010	ADD	Arithmétique	Addition ($A + B$) avec retenue
0011	SUB	Arithmétique	Soustraction ($A - B$)
0100	MUL	Arithmétique	Multiplication matérielle ($A \times B$)
0101	DIV	Arithmétique	Division entière ($A / B$) & calcul du reste
0110	AND	Logique	Opération logique ET bit à bit ($A \land B$)
0111	OR	Logique	Opération logique OU bit à bit ($A \lor B$)
1000	XOR	Logique	Opération logique OU exclusif ($A \oplus B$)

Caractéristiques du Circuit

• Décodage : Décodeur 4 bits vers lignes de commande.
• Routage : Multiplexeurs multi-voies associés à des encodeurs de priorité (Priority Encoders).
• Indicateurs d'état (Flags) : Détection de résultat nul (Zero), de dépassement de capacité (Overflow) et de retenue (Carry).
• Fichier source : Models/ALU/ALU8bits.circ.

---

🖥️ 2. Architecture CPU Complète (Gate-Level Design)

Conception intégrale au niveau des portes d'un processeur synchrone comprenant son banc de registres, son unité de contrôle, son décodage d'instructions et son bus d'interconnexion.

Format d'Instruction Machine

Chaque instruction est codée sous un mot binaire structuré :

+-------------------+--------------------+------------------------+--------------------+
| Opcode (3 bits) | Dest Reg (3 bits) | Src 1 / Imm (4 bits) | Src 2 Reg (3 bits)|
| [12 : 10] | [9 : 7] | [6 : 3] | [2 : 0] |
+-------------------+--------------------+------------------------+--------------------+

• Bits [12:10] (3 bits) : Opcode de l'instruction assembleur.
• Bits [9:7] (3 bits) : Adresse du registre de destination.
• Bits [6:3] (4 bits) : Valeur immédiate (ex. pour LOAD) ou adresse registre source 1 (3 bits).
• Bits [2:0] (3 bits) : Adresse du registre source 2.

Jeu d'Instructions Assembleur (ISA)

Code (3b)	Mnémonique	Syntaxe / Exemple	Description
000	ADD	ADD R_dest, R_src1, R_src2	Addition de deux registres
001	LOAD	LOAD R_dest, #imm	Chargement d'une valeur immédiate 4 bits
010	SOUS	SOUS R_dest, R_src1, R_src2	Soustraction de deux registres
011	CMP (==)	CMP R_src1, R_src2	Comparaison d'égalité et mise à jour des drapeaux
100	AND (&&)	AND R_dest, R_src1, R_src2	Opération logique ET
101	OR (||)	OR R_dest, R_src1, R_src2	Opération logique OU
110	JUMP	JUMP addr	Saut inconditionnel vers une adresse
111	JUMP_IF	JUMP_IF addr	Saut conditionnel asservi aux drapeaux (Zero / Overflow)

Registres & Signaux d'État

• Banc de registres : Matrice séquentielle architecturée avec des bascules D (D Flip-Flops).
• Flags matériels :
  • Flag 1 : Zero (activé si le résultat de l'opération vaut 0).
  • Flag 2 : Overflow (activé lors d'un débordement arithmétique).
• Fichier source : Models/Olds/ALU.circ.

---

🚀 Utilisation avec Logisim

1. Téléchargez et installez Logisim (ou Logisim-evolution).
2. Ouvrez le projet désiré :
   • UAL 8 bits : File > Open > Models/ALU/ALU8bits.circ
   • CPU V1 : File > Open > Models/Olds/ALU.circ
3. Activez l'horloge et la simulation (Simulate > Ticks Enabled / Ctrl+K) pour observer l'exécution pas-à-pas et la propagation des signaux sur les bus.

---

📄 Licence

Ce projet est sous licence MIT — voir le fichier LICENSE pour plus de détails.